τ 1

Adaptation dynamique de la puissance
des systèmes embarqués :
Les systèmes asynchrones surclassent
les systèmes synchrones
Mohammed Es Salhiene, Laurent Fesquet et Marc Renaudin
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
1
Plan
■
Motivations & contribution
■
Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation
■
■
Mise en veille
Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■
Système asynchrone
■
Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■
■
■
Cas des tâches sporadiques
Cas des tâches périodiques
Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■
Comparaison synchrone - asynchrone
■
Conclusion
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
2
Motivations
■
■
■
■
Développement de l'informatique mobile
et le des systèmes portables
Augmentation du nombre de fonctionnalités
et de puissance de traitement de ces systèmes
=>hausse de leur consommation
Progrès insuffisant des technologies de batteries
Nécessité de minimiser la consommation
d’énergie (autonomie, fiabilité, poids, prix)
Solution
Système asynchrone + adaptation dynamique de la tension
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
3
Contribution
Nouvelle méthode de réduction de la consommation
combinant des processeurs asynchrones et des algorithmes
d'adaptation dynamique de la tension d'alimentation
■
Exploitation de la capacité des processeurs asynchrones à
rester fonctionnels lorsque la tension d’alimentation varie
(adaptent leur vitesse de traitement à la tension)
■
Le système d’exploitation adapte dynamiquement la tension
d’alimentation, et donc la puissance de calcul du processeur,
aux besoins des applications afin de minimiser la
consommation.
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
4
Plan
■
Motivations & contribution
■
Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation
■
■
Mise en veille
Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■
Système asynchrone
■
Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■
■
■
Cas des tâches sporadiques
Cas des tâches périodiques
Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■
Comparaison synchrone - asynchrones
■
Conclusion
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
5
Gestion de l'énergie au niveau SE
■
Collaboration entre le matériel, les applications et le système
d'exploitation constituant le système
■
Le système d’exploitation gère la consommation d'énergie par:
■
des mises en veille
■
L’adaptation de la tension d'alimentation de tout ou partie du système
(exemple le processeur)
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
6
Adaptation dynamique de la tension
■
Le fonctionnement d'un processeur comporte des périodes
d'inactivité : consommation inutile de l'énergie
a1
Vitesse
SMAX
idle
e1
a2
idle
e2
ai : activation
ei : échéance
idle
Temps
■
Réduire la vitesse du processeur et le mettre en veille pour
économiser de l’énergie
a1
Vitesse
SMAX
e1
a2
e2
Temps
EVARIABLE # C VDDV2 < EFIXE # C VDDF2
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
7
Adaptation dynamique de la tension
E # C VDD2
Energie
Vitesse fixe
Vitesse
variable
Charge de travail
■
L’adaptation dynamique de la tension nécessite:
■
Un processeur capable d'ajuster à la demande sa tension et sa
fréquence (donc sa vitesse de fonctionnement et sa consommation)
■
Des algorithmes d'adaptation dynamique des paramètres tension et
fréquence : prévoient la quantité de traitement à effectuer en se basant sur le
fonctionnement passé du processeur et déterminent quelle doit être le couple
(fréquence, tension)
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
8
Plan
■
Motivations & contribution
■
Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation
■
■
Mise en veille
Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■
Systèmes asynchrones
■
Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■
■
■
Cas des tâches sporadiques
Cas des tâches périodiques
Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■
Comparaison synchrone - asynchrones
■
Conclusion
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
9
Systèmes asynchrones en quelques
caractéristiques
■
Absence de l’Horloge
■
Horloge globale remplacée par des protocoles Requête/Acquittement
Requête
Emetteur
Données
Recepteur
Acquitement
■
Faible consommation
■
■
■
Mode veille par défaut
Consommation limitée aux seuls blocs en activité
Mise en veille et réactivation immédiate
des ressources de traitement
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
10
Systèmes asynchrones en quelques
caractéristiques
■
Robustesse vis-à-vis des conditions de fonctionnement
■
■
Processeur opérationnel de 17 Mips (0.8V) à 140 Mips (2.5V)
Adaptation de la vitesse du traitement par simple variation de
la tension d’alimentation (PLL)
Courant de consommation moyen de MICA
0.014
Faible bruit
■
■
Consommation en courant
répartie dans le temps
Pas de pic de courant
0.012
0.01
Amplitude en A
■
0.008
0.006
0.004
0.002
0
0
100
200
300
Temps en ns
400
500
600
(fréquence d échantillonnage 25 Ghz; Nombre de points 15000)
Circuit synchrone
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
11
Plan
■
Motivations & contribution
■
Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation
■
■
Mise en veille
Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■
Système asynchrone
■
Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■
■
■
Cas des tâches sporadiques
Cas des tâches périodiques
Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■
Comparaison synchrone - asynchrones
■
Conclusion
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
12
Algorithmes d'adaptation dynamique de
la tension
■
Algorithmes basés sur l'ordonnancement Earliest Deadline
First (EDF)
(Peuvent fonctionner avec tout autre politique d'ordonnancement par priorité)
■
Tâches ordonnancées selon leurs échéances et un calcul
supplémentaire est effectué pour déterminer la tension et donc
la vitesse du processeur nécessaire pour leurs exécutions.
Activation
échéance
Di
tdi = t + Di
NIi
t
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
tdi
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
13
Cas des tâches sporadiques
Paramètres: temps courant t et la nouvelle tâche sporadique τi
1. Insérer τi dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF
2. Répéter {
- Pour chaque tâche l de la file d’attente calculer Sl
NI l 
Sl 
 NI
j
j l / Pl  Pj
td l  t
- Mettre la vitesse du processeur S à max Sl
 NI l   NI j 


j  l / Pl  Pj
S  MAX 

lQ
td l  t




- Exécuter à la vitesse S la tâche prioritaire puis la
retirer de la file s’elle est finie
} tant que la fille est pleine
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
NIi: nombre d'instructions
de τl restant à exécuter
tdi : échéance de τi
Pi : priorité de τi selon la
politique EDF
EDF: Earliest-DeadlineFirst
FTFC03
14
Cas des tâches sporadiques
Vitesse
τ1
SMAX
Tâches
τ1
NIj
1
106
Dj
Date
d'activation
2
0
τ2
0.5 106
4
1
τ3
0.2 106
3
2
τ2
0
1
τ3
2
3
4
Temps
Exécution de 3 tâches sporadiques sans adaptation de la vitesse
Vitesse
 NI l   NI j 


j  l / Pl  Pj
S  MAX 

lQ
td l  t




SMAX
τ1
τ3
50%
35%
0
1
2
τ2
3
4
Temps
Exécution des 3 tâches sporadiques avec adaptation de la vitesse
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
15
Cas des tâches sporadiques
Bilan énergétique
Sans mise en veille
Avec mise en veille
PMAX
42% PMAX
Adaptation dynamique
de la tension
14% PMAX
Avec l’adaptation dynamique de la tension :
réduction d’un facteur 3 par rapport à la mise en veille
réduction d’un facteur 7 sans la mise en veille
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
16
Cas des tâches périodiques
Paramètres: temps courant t et n tâches périodiques prêtes
ordonnancées selon EDF
1. Initialiser la vitesse S
S 
n

NI j
Dj
j 1
2. Lorsqu’une nouvelle tâche τi est créée
1. Insérer τi dans la file d’attente Q ordonnée selon EDF
2. Réévaluer la vitesse S
n

NI j
td j t
j 1
S  NIi 
Di
3. Lorsqu’une tâche τi est supprimée
1. Réévaluer la vitesse S
S 
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
n  n 1

j 1
NI j
td j t
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
NIi: nombre d'instructions
de τl restant à exécuter
tdi : échéance de τi
EDF: Earliest-DeadlineFirst
FTFC03
17
Cas des tâches périodiques
τ1
Vitesse
τ2
τ3
SMAX
Tâches
NIj
Dj = Tj
Date
d'activation
τ1
0.25 106
2
0
τ2
1 106
5
0
τ3
0.5 106
3
4
0
2
4
6
8
Temps
Exécution de 3 tâches périodiques sans adaptation de la vitesse
Vitesse
SMAX
49%
33%
0
2
4
6
8
Temps
Exécution des 3 tâches périodiques avec adaptation de la vitesse
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
3.b Exécution des 3 tâches périodiques avec adaptation de la vitesse.
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
18
Plan
■
Motivations & contribution
■
Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation
■
■
Mise en veille
Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■
Système asynchrone
■
Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■
■
■
Cas des tâches sporadiques
Cas des tâches périodiques
Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■
Comparaison synchrone - asynchrone
■
Conclusion
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
19
Asynchrone vs synchrone : performances
des processeurs synchrones
■
StrongARM-1100
■
■
■
■
■
lpARM (ARM8 Berkeley)
■
■
■
■
59MHz - 0.79V et 251MHz - 1.65V
Un changement de fréquence prend 140µs
Un changement de tension prend 40µs
Mise en veille : 90µs - Réveil : 160 ms
6Mips, 5MHz - 1.2V et 85Mips, 80MHz - 3.8V
Un changement de fréquence de 5MHz à 80MHz prend environ 70µs
Veille (idle) : 0.8mW
Transmeta Crusoe
■
■
■
300MHz - 1.2V à 600 MHZ - 1.6V
Un changement de fréquence de fmin à fmax prend 300 µs
pas de 33 MHz, 25 mV
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
20
Asynchrone vs synchrone : mise en veille
PMAX
Cas idéal
S. ARM
lpARM
0.8 mW
0 mW



70µs
PMAX
τ1
τ2
25µs
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
50 mW


Crusoe

SMAX
70µs
(µs)
PMAX

ASPRO


τ2
70µs
(µs)
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
(µs)
PMAX
τ1
τ2
0 mW

PMAX


τ1
90µs

PMAX

SMAX
160ms
Veille-0 mW
SMAX
PMAX
0.16mW
90µs
Temps (µs)
Vitesse
τ2


Veille-0 mW
τ1

τ2



τ1

SMAX
SMAX

Vitesse
Activité PMAX
PMAX
10µs
50 mW
25µs
FTFC03
(µs)
21
Asynchrone vs synchrone : adaptation de
la vitesse
3.74ms



S. ARM
τ2


Cas idéal

τ3


50% τ1

τ3


τ2

50% τ1


SMAX

Vitesse

SMAX
(µs)
166µs
Temps (µs)
lpARM

(µs)
37µs

SMAX
τ1
τ2
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"


300µs
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
τ3

50%

Crusoe
(µs)

6µs

ASPRO

37µs
τ3


6µs

τ2
τ3
τ2


50% τ1


SMAX
50% τ1

Vitesse

SMAX
(µs)
300µs
FTFC03
22
Plan
■
Motivations & contribution
■
Gestion de l'énergie au niveau système d'exploitation
■
■
Mise en veille
Adaptation dynamique de la tension d'alimentation.
■
Système asynchrone
■
Algorithmes d'adaptation dynamique de la tension
■
■
■
Cas des tâches sporadiques
Cas des tâches périodiques
Résultats de simulation des stratégies adoptées.
■
Comparaison synchrone - asynchrones
■
Conclusion
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
23
Conclusion
■
L’adaptation dynamique de la tension permet de réduire
efficacement la consommation d’énergie d’un système embarqué
■
La combinaison « processeur asynchrone – adaptation dynamique
de la tension » est d’une mise en œuvre plus aisée que celle avec
un processeur synchrone
■
Les algorithmes proposés permettent une réduction d’un facteur
de 7 de la consommation d’un système dont l’activité est
sporadique
■
L’implémentation matérielle en technologie asynchrone réduit le
coût de mise en œuvre de l’adaptation dynamique de la tension
TIMA-CNRS-INPG-UJF
46 Av. Félix Viallet
38031 Grenoble Cedex
Groupe CIS
"Concurrent Integrated System"
FTFC03
24